JP6851323B2 - ウェストゲートバルブの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のターボチャージャに設けられたウェストゲートバルブの開度制御に関する。

内燃機関の過給に用いられるターボチャージャは、一般に、過給圧制御のために排気流の一部をタービンホイールを経由せずにバイパスさせるようにしたウェストゲートバルブをタービン部に備えている。特許文献１には、このウェストゲートバルブを開閉駆動する駆動機構として、電動アクチュエータのロッドの直線運動をリンクを介して回転軸の回転運動に変換し、該回転軸に固定されたアームの先端に支持されているポペット形の弁体が揺動するようにした、いわゆるスイング形式の構成が開示されている。

上記のようなウェストゲートバルブにおいては、特許文献１に記載されているように、駆動機構の一部、例えばアーム先端とポペット形の弁体との間、あるいはロッド先端とリンクとの間、などに僅かなクリアランスが存在する。

一方、内燃機関の冷機アイドル時には、排気系の触媒暖機のために点火時期リタードが実行されるが、この点火時期リタードに伴って排気の圧力変動詳しくは排気脈動が大きくなる。また、アイドル時には、排気抵抗低減のためにウェストゲートバルブの開度は一般に全開に制御されており、排気流の一部が弁体周囲を通過する。

従って、排気脈動が大となる冷機アイドル時には、上記のクリアランスに起因して弁体が振動し、異音が発生しやすい。

特開２０１５−４８８３７号公報

この発明は、内燃機関の冷機アイドル時に、点火時期リタードと併せて、ウェストゲートバルブの開度を制限するようにしたものである。このようにウェストゲートバルブの開度を小さくすることで、ウェストゲートバルブの弁体周囲を通過する排気流量が少なくなり、排気脈動ないし圧力変動に伴う弁体の動きが抑制される。そのため、クリアランスに起因した異音が生じにくい。

この発明によれば、点火時期リタードにより排気脈動が大きくなる冷機アイドル時におけるウェストゲートバルブでの異音発生を抑制することができる。

この発明の一実施例のシステム構成を示す説明図。 ターボチャージャの要部を示す断面図。 ウェストゲートバルブの弁体取付構造を示す要部の拡大図。 一実施例の制御の流れを示すフローチャート。 機関運転条件に対するウェストゲートバルブの開度の特性を示す特性図。 冷機始動後にアイドル放置したときの開度変化等を示すタイムチャート。 点火時期リタード量とウェストゲートバルブ開度との関係を示す特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施例のシステム構成を示す構成説明図であって、火花点火式ガソリン機関である内燃機関１の排気通路２には、ターボチャージャ３の排気タービン４が配置され、その下流側に、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ６が配置されている。排気通路２のさらに下流側には、図示せぬ排気消音器が設けられており、該排気消音器を介して排気通路２は外部へ開放されている。上記排気タービン４は、過給圧制御のためのウェストゲートバルブ７を備えている。なお、内燃機関１は、例えば直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する図示せぬ燃料噴射弁を各気筒毎に備えているとともに、図示せぬ点火プラグを各気筒毎に備えている。勿論、直噴型に限らず、ポート噴射型燃料噴射装置であってもよい。

内燃機関１の吸気通路１０には、上流側から順に、エアクリーナ１１、エアフロメータ１２、スロットル弁１３、が配置されており、上記ターボチャージャ３のコンプレッサ５が、上記エアフロメータ１２と上記スロットル弁１３との間に配置されている。なお、図示例では、コンプレッサ５とスロットル弁１３との間に、例えば水冷式ないし空冷式のインタークーラ１４が介装されている。また上記吸気通路１０には、さらに、上記コンプレッサ５の上流側と下流側との間を連通するリサーキュレーション通路１６が設けられており、このリサーキュレーション通路１６に、リサーキュレーションバルブ１７が設けられている。このリサーキュレーションバルブ１７は、スロットル弁１３が急に閉じた減速時に開弁することで吸気を循環させる機能を有している。

上記吸気通路１０のスロットル弁１３下流側には、過給圧を検出する過給圧センサ１５が配置されている。

上記ウェストゲートバルブ７は、電動アクチュエータ２０によって開度が制御される構成となっており、実際の開度を検出するために、ポジションセンサ２１が電動アクチュエータ２０に内蔵されている。具体的には、電動アクチュエータ２０は、ボールねじ機構により電動モータの回転をロッド２２の軸方向の動きとして出力するものであり、ポジションセンサ２１は、アクチュエータのケースに対するロッド２２の軸方向位置を検出している。上記ロッド２２は、リンク２３およびアーム２４を介してウェストゲートバルブ７のポペット形の弁体７ａに連係している。

上記電動アクチュエータ２０の動作は、内燃機関１の種々の制御を行うエンジンコントローラ２５によって制御される。このエンジンコントローラ２５には、上記のエアフロメータ１２、過給圧センサ１５およびポジションセンサ２１の検出信号のほか、内燃機関１の冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ２６、図示せぬアクセルペダルの踏込量つまりアクセル開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２７、内燃機関１の回転速度Ｎｅを検出するクランク角センサ２８、大気圧ＡＴＭを検出する大気圧センサ２９、等のセンサ類の検出信号が入力されている。スロットル弁１３の開度、図示せぬ燃料噴射弁の燃料噴射量、図示せぬ点火プラグの点火時期、等も、エンジンコントローラ２５によって制御される。

図２は、ターボチャージャ３の排気タービン４に設けられたウェストゲートバルブ７のより具体的な構成例を示している。ウェストゲートバルブ７の弁体７ａは、図示するように、スクロール部３２を有するタービンハウジング３１の排気出口部３３に位置し、スクロール部３２の上流側部分と排気出口部３３とを連通するバイパス通路３４（図１に模式的に示す）を、排気出口部３３側から開閉する。このウェストゲートバルブ７は、いわゆるスイング形式の構成であり、シャフト部２４ａを有するアーム２４の先端に弁体７ａが支持されている。シャフト部２４ａは、タービンハウジング３１に回転可能に支持されており、タービンハウジング３１の外表面に露出したシャフト部２４ａの基端に、リンク２３の一端が固定されている。リンク２３の他端には、ピン３５を介して電動アクチュエータ２０のロッド２２詳しくは中間ロッド２２ａが連結されている。なお、このようなスイング形式のウェストゲートバルブの基本的な構成は、例えば特開２０１４−５８８９４号公報等によって公知である。このような構成では、電動アクチュエータ２０のロッド２２の軸方向の移動によってアーム２４がシャフト部２４ａを中心として揺動し、これに伴って円形の弁体７ａがバイパス通路３４の先端開口を開閉する。

図３は、アーム２４の先端における弁体７ａの取付構造の一例を示している。図示するように弁体７ａ中心の軸部７ｂがアーム２４の取付孔２４ｂを貫通しており、円環状の固定部材３６を軸部７ｂ先端の小径部７ｃに取り付けることによって該軸部７ｂが抜け止めされている。従って、アーム２４と弁体７ａとの間ならびに軸部７ｂと取付孔２４ｂ内周面との間には僅かなクリアランスが存在し、振動による異音発生の余地がある。そのほか、上述したリンク２３とロッド２２との連結部などにおいてもクリアランスが存在し、異音発生箇所となり得る。

次に、図４〜図６を参照して、上記実施例におけるウェストゲートバルブ７の開度制御について説明する。

図４は、制御部に相当する上記エンジンコントローラ２５が実行するウェストゲートバルブ７の開度制御の処理の流れを示すフローチャートである。初めに、ステップ１において、システムフェイルであるか否かを、他の制御ルーチンで実行されるシステムの自己診断結果に基づいて判別する。過給圧制御に影響する何らかの異常時、例えば過給圧センサ１５等のセンサ類が故障もしくは断線等であった場合には、システムフェイルと判断して、ステップ７へ進み、フェイルセーフのために、運転条件等に無関係にウェストゲートバルブ７の目標開度を全開に固定する。これにより、意図せぬ過給が回避される。

次のステップ２では、アクセル開度センサ２７によって検出されるアクセル開度ＡＰＯが全閉位置に相当する閾値ＡＰＯ０以下であるか否かを判定する。閾値ＡＰＯ０は、アクセルペダルが解放されている状態で適宜に学習・更新される値である。

アクセル開度ＡＰＯが閾値ＡＰＯ０以下でない場合つまりアクセルペダルが僅かでも踏み込まれている場合は、ステップ８へ進み、過給圧制御（換言すればトルク制御）のための通常の開度制御を実行する。図５は、機関回転速度とトルクとに対するウェストゲートバルブ７の開度の特性を等高線状に示しており、高負荷側でかつ回転速度が低い領域ａでウェストゲートバルブ７は全閉となり、矢印で示すように、領域ａから図の右下側へ向かって負荷が低く回転速度が高くなるほどウェストゲートバルブ７の開度が増加する。このようにウェストゲートバルブ７の開度が連続的に変化する領域は、いわゆる過給域であり、スロットル弁１３の開度を基本的に全開としつつウェストゲートバルブ７の開度制御によって内燃機関１のトルクが制御される。そして、所定のトルクＴ１よりも低負荷の領域ｂでは、ウェストゲートバルブ７は全開となる。この領域ｂでは、実質的に過給はなされず、非過給域つまり自然給気領域として、スロットル弁１３の開度によってトルクが制御される。

より具体的には、機関回転速度と要求トルクとに基づいて所定の制御マップから目標の過給圧（より厳密には、目標の圧力比）が与えられ、これを実現するように、ウェストゲートバルブ７の目標開度が過給圧センサ１５の検出信号を用いてフィードバック制御される。この過給圧フィードバック制御の結果、図５に示すような開度特性が得られる。なお、電動アクチュエータ２０は、上記の目標開度とポジションセンサ２１による検出開度との偏差に基づいてフィードバック制御される。

図４のステップ２でアクセル開度ＡＰＯが閾値ＡＰＯ０以下であれば、ステップ３へ進み、機関回転速度Ｎｅが始動後の完爆判定用の閾値Ｎｅ１以上であるか否かを判定する。ここで閾値Ｎｅ１未満の場合つまり始動の際のクランキング中は、ステップ７へ進み、ウェストゲートバルブ７の目標開度を全開とする。このようにウェストゲートバルブ７の開度を全開とすることで、排気タービン４による排気抵抗が最小となる。

内燃機関１の始動完了後つまり回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅ１以上であれば、ステップ３からステップ４へ進み、冷却水温ＴＷが、冷機状態であるか否かの判別を行うための閾値ＴＷ１以上であるか否かを判定する。ここで冷却水温ＴＷが閾値ＴＷ１未満であれば、ステップ６へ進み、ウェストゲートバルブ７の目標開度を、全開よりも小さな所定の中間開度とする。つまり、冷却水温ＴＷが閾値ＴＷ１未満の冷機アイドル中は、ステップ２，３，４の判定を経てステップ６へ進み、ウェストゲートバルブ７の開度が中間開度に制限される。中間開度は、一例としては、電動アクチュエータ２０の移動量として全開を１００％としたときに、４０〜５０％程度の開度である。

閾値ＴＷ１は、冷機始動後に触媒コンバータ６の触媒の早期活性化のための点火時期リタードを実行するか否かの閾値と等しく設定されており、例えば４０℃〜６０℃程度の範囲内の適当な値である。始動時に冷却水温ＴＷが閾値ＴＷ１未満であれば、図示しない他の制御ルーチンによって冷却水温ＴＷに応じたリタード量でもって点火時期が遅角補正される。この点火時期リタードにより、排気温度が上昇する。他方、点火時期リタードに伴って燃焼圧のピークが遅角側となるので、内燃機関１から出る排気の排気脈動が増大する。そのため、ウェストゲートバルブ７が全開であると、弁体７ａが振動して前述したウェストゲートバルブ７の各部のクリアランスに起因した異音が生じやすくなる。しかし、上記のようにウェストゲートバルブ７の開度を全開よりも小さな中間開度とすることで、弁体７ａの周囲を通過する排気流量が相対的に少なくなり、異音発生が抑制される。

ステップ４で冷却水温ＴＷが閾値ＴＷ１以上であれば、ステップ５へ進み、直前のアクセル開度ＡＰＯとの比較から急減速操作（例えばアクセルペダルの急激な開放）が実行されたか否かを判定する。アクセル開度ＡＰＯが急激に減少している場合に急減速と判定する。急減速でなければ、ステップ５からステップ７へ進み、ウェストゲートバルブ７の目標開度を全開とする。従って、暖機完了後のアイドル中は、基本的に、ウェストゲートバルブ７の開度が全開となり、排気タービン４による排気抵抗が最小となる。

ステップ５で急減速と判定した場合には、例えば比較的短い所定時間の間、ステップ５からステップ６へ進み、ウェストゲートバルブ７の目標開度を全開ではなく中間開度とする。これは、例えばウェストゲートバルブ７が全閉となっていて排気圧力が高い状態から減速操作に伴いウェストゲートバルブ７が全開となったときに、大きな圧力変動に起因して弁体７ａが振動しやすいことを考慮したものである。このような減速時に、前述した冷機アイドル時と同様に、全開よりも小さな中間開度とすることで、弁体７ａの振動ひいては異音発生を抑制することができる。

なお、この急減速時の処理は、必ずしも必須のものではなく、省略することも可能である。ウェストゲートバルブ７のクリアランスに起因して異音が発生しても、車両走行中は、他の騒音に覆われるため、比較的違和感を感じにくいものとなる。

図６は、冷機始動後のタイムチャートであり、（ａ）機関回転速度Ｎｅ、（ｂ）ウェストゲートバルブ７の開度、（ｃ）冷却水温ＴＷ、（ｄ）アクセル開度ＡＰＯ、（ｅ）点火時期リタード量、の変化を対比して示している。時間ｔ１において運転者のキーＯＮ操作によってクランキングが開始するが、機関停止中はウェストゲートバルブ７の開度は全開であり、機関回転速度Ｎｅが所定の閾値Ｎｅ１に達するまではクランキング中も全開である。時間ｔ２において始動が完了して機関回転速度Ｎｅが閾値Ｎｅ１に達すると、冷却水温ＴＷの判定に基づき、ウェストゲートバルブ７の開度は中間開度へと変化する。また、冷却水温ＴＷが低いことから、点火時期は、触媒暖機のために、冷却水温ＴＷに応じたリタード量でもって遅角補正される。前述したように、点火時期リタードに伴って排気脈動が増大し、弁体７ａの振動が生じやすくなるが、ウェストゲートバルブ７の開度を全開ではなく中間開度とすることで、異音発生が抑制される。なお、目標アイドル回転速度は、冷却水温ＴＷに応じて設定され、冷機時は目標アイドル回転速度が暖機後よりも相対的に高く与えられている。

時間ｔ２から時間経過に伴って冷却水温ＴＷは徐々に上昇し、リタード量は徐々に低下していくが、時間ｔ３において冷却水温ＴＷが閾値ＴＷ１に達すると、点火時期リタードは終了し、かつ同時に、ウェストゲートバルブ７の開度は全開へと変化する。これにより、排気抵抗が最小となる。

また、図６に仮想線で示すように、冷却水温ＴＷが閾値ＴＷ１に達する前に例えば時間ｔ４においてアクセル開度ＡＰＯが僅かに踏み込まれると（すわなち全閉位置相当の閾値ＡＰＯ０を超えると）、ウェストゲートバルブ７の開度は、中間開度から全開へと変化する。つまり、中間開度への制限が解除され、図４のステップ８の通常制御に移行する。

図５において、点Ｐ１は、暖機後のアイドル運転点を示しており、点Ｐ２は、冷機アイドルの運転点を示している。これらの運転点Ｐ１，Ｐ２では、ウェストゲートバルブ７の開度は、過給圧センサ１５の検出値によらずにオープンループ制御される。すなわち、暖機後のアイドル運転点Ｐ１では、ウェストゲートバルブ７の目標開度は全開であり、冷機アイドルの運転点Ｐ２では、ウェストゲートバルブ７の目標開度は所定の中間開度となる。なお、前述したように、冷機アイドル時は、目標アイドル回転速度が暖機後のアイドル運転点Ｐ１よりも高く設定される。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限られるものではない。例えば、上記実施例では内燃機関１の温度状態を冷却水温に基づいて判断しているが、潤滑油温度等の他のパラメータに基づいて機関温度状態を判断することも可能である。また、上記実施例では点火時期リタードを実行するか否かの温度閾値と中間開度に制限するか否かの温度閾値とが同一の温度となっているが、両者が多少異なる温度であってもよい。

さらに、アイドル時に中間開度に制限するか否かの判断を、温度条件によらずに、点火時期リタードの有無もしくはリタード量の大小に基づいて行うようにしてもよい。

また、中間開度の値は、上記実施例では一定値であるが、排気脈動の大きさに応じて可変的に設定するようにしてもよい。例えば、図７に示すように、リタード量が大きいほどウェストゲートバルブ７の開度が小さくなるように目標開度を可変的に設定することも可能である。

また、内燃機関１として、点火時期リタードを伴う冷機アイドル時以外に排気脈動が大きくなる運転条件（例えば一部気筒の休止など）を有する場合には、排気脈動が大きくなる運転条件を検出したときに、ウェストゲートバルブ７の開度を全開ではなく中間開度に制限するようにしてもよい。

Claims (4)

1. 内燃機関のターボチャージャに設けられたウェストゲートバルブの開度を電動アクチュエータによって制御する制御方法であって、
   内燃機関の冷機始動時は始動が完了するまでウェストゲートバルブの開度を全開とする一方、
   内燃機関の冷機アイドル時に、点火時期リタードを実行している間、ウェストゲートバルブの開度を、内燃機関の暖機後のアイドル時のウェストゲートバルブの開度よりも小さな中間開度に制御し、
   ここで、冷機始動後、始動完了と判定したときに、ウェストゲートバルブの開度を中間開度にするとともに上記点火時期リタードを開始する、ウェストゲートバルブの制御方法。
2. 内燃機関の暖機後のアイドル時にウェストゲートバルブを全開に制御する、請求項１に記載のウェストゲートバルブの制御方法。
3. アイドル状態において冷却水温が所定の閾値に達したときに、点火時期リタードを終了すると同時に、ウェストゲートバルブの開度を中間開度から全開へと変化させる、請求項１または２に記載のウェストゲートバルブの制御方法。
4. 内燃機関と、
   ウェストゲートバルブを備えたターボチャージャと、
   上記ウェストゲートバルブの開度を制御する電動アクチュエータと、
   過給圧を検出する過給圧センサと、
   上記内燃機関の温度状態を検出する温度センサと、
   上記内燃機関の非アイドル時には上記過給圧センサが検出した過給圧に基づいて上記ウェストゲートバルブの目標開度を出力する一方、アイドル時にはウェストゲートバルブの目標開度を全開とし、かつ内燃機関の冷機始動時は始動が完了するまでウェストゲートバルブの開度を全開とする一方、内燃機関の冷機アイドル時に、点火時期リタードを実行している間、ウェストゲートバルブの目標開度を、内燃機関の暖機後のアイドル時のウェストゲートバルブの開度よりも小さな中間開度として出力する制御部と、
   を備え、
   上記制御部は、冷機始動後、始動完了と判定したときに、ウェストゲートバルブの開度を中間開度にするとともに上記点火時期リタードを開始する、ウェストゲートバルブの制御装置。

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